第五章 计算机总线技术2(现场总线)
现场总线介绍
Lonworks技术采用的LonTalk 协议被封 装在被称为Neuron Chip 的神经元芯片内得 以实现，该项技术已广泛应用楼宇自动化、 家庭自动化、保安系统、办公设备、运输设 备、工业过程控制等领域。
（2）现场总线的产生
现场总线是综合自动化的发展需要.. T(time to market); Q(quality) ; C(cost); S(service) ;
要实现整个生产过程的信息集成，实施综 合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环 境运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统。 以实现现场自动化智能设备之间的多点数 字通信，形成工厂底层网络系统，实现底层现 场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。 于是，现场总线应运而生。
现场总线介绍
华东理工大学自动化系 王学武
主要内容
概念 产生 现场总线的含义 特点和优点 几种总线简介 现场总线的产生历程 现场总线市场分析 现场总线产业发展现状 现场总线技术的发展趋势 国内现场总线发展概况
（1）概念
什么是现场总线？ 应用在生产现场、在测量控制设备之间实现双 向串行多节点数字通信的开放型控制网络技术。
ARC高级过程自动化分析师Paula Hollywood（研究报告主要作者）说，“最初， 现场总线的主要优点被描述为降低布线、设备 安装和调试成本……，而最终用户在项目运行 成本（OpEx）上实际享受到的好处则更多，因 为双向数字通信使通信质量改进以及所链接智 能设备能够实现远程诊断使生产过程效率提高。 ARC开展的2006年现场总线最终用户问卷 调查也表明，设备维护技术人员和生产现场操 作人员效率的提高，是迄今为止现场总线能带 来的最大好处。”
市场研究最后得出结论，现场总线最重要 的优点在维护和运行中体现出来。该技术本身 并不能降低成本；但根据ARC的解释，它充当 了“一个能明显降低运行成本且有助于实现运 行卓越，使设备管理效率达到新的水平的使能 技术。”
现场总线技术与应用
现场总线技术与应用现场总线技术与应用现场总线是应用生产现场、在微机化测控设备之间实现双向数字通信系统，是开放式、数字化、多点通信的低层控制网络。
现场总线是在20世纪年代中期发展起来的。
现场总线技术是将专用的微处理器植入传统的测控仪表，使其具备了数字计算和通信能力，采用连接简单的双绞线、同轴电缆、光纤等作为总线，按照公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测控仪表之间、远程监控计算机之间实现数据共享，形成适应现场实际需要的控制系统。
它的出现改变了以往采用电流、电压模拟信号进行测控信号变化慢，信号传输抗干扰能力差的缺点，也改变了集中式控制可能造成的全线瘫痪的局面。
由于微处理器的使用，使得现场总线有了较高的测控能力，提高了信号的测控和传输精度，同时丰富了控制信息内容，为远程传送创造了条件。
现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向，一出现便成为全球工业自动化技术的热点，受到全世界的普通遍关注。
现场总线导致了传统控制系统结构的变革，形成了新型的网络集成式全分布控制系统--现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）。
一、现场总线的特点现场总线系统打破了传统模拟控制系统采用的一对一的设备连线模式，而采用了总线通信方式，因而控制功能可不依赖控制室计算机直接在现场完成，实现了系统的分散控制，现场总线控制系统与传统的控制系统结构对经如图1所示。
1、增强了现场级的信息采集能力现场总线可从现场设备获取大量丰富信息，能够很好地满足工厂自动化乃至CIMS系统的信息集成要求。
现场总线是数字化的通信网络，它不单纯取代4~20mA 信号，还可实现设备状态、故障和参数信息传送。
系统除完成远程控制，还可完成远程参数化工作。
2、开放式、互操作性、互换性、可集成性不同厂家产品只要使用同一种总线标准，就具有互操作性、互换性，因此设备具有很好的可集成性。
系统为开放式，允许其他厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺方法、配方等集成到通用控制系统中，因此，市场上将有许多面向行业特点的监控制系统。
什么是现场总线
什么是现场总线？随着计算机、控制、通信、网络等技术的发展，作为工业控制数字化、智能化与网络化典型代表的现场总线（FieldBus）技术也得到了发展迅速、影响巨大，引起了工程技术界的普遍兴趣与重视，使计算机控制系统逐步从集散控制系统（DistributedControlSystem DCS）走向以现场总线位基础的分布式现场总线控制系统（FieldbusControlSystem,FC S），被誉为工业自动化领域具有革命性的新技术。
现场总线技术是20世纪80年代中期在国际上发展起来的一种工业控制技术。
通俗地讲，现场总线就是用在现场的总线技术，和计算机内部的总线概念一样，但是由于现场的特殊环境（如温度，安装条件，干扰等等），不同于计算机通常用于室内，为了区别，所以我们把这种总线称为现场总线。
现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一。
现场总线被誉为自动化领域的计算机局域网1．1、现场总线的特点根据国际电工委员会（IEC）和美国仪表协会(ISA)对现场总线的定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字、双向传输、多分支结构的通信网络，它的关键标志是能支持双向多节点、总线式的全数字通讯，具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快、系统安全、造价低廉、维护成本低等特点。
国际电工协会（IEC）的SP50委员会对现场总线有以下三点要求：（1）同一数据链上过程控制单元（PCU）、PLC等与数字1/0设备互连；（2）现场总线控制器可对总线上的多个操作站、传感器及执行机构等进行数据存取；（3）通信媒体安装费用较低。
SP50委员会提出的两种现场总线结构模型是：●星型总线用短距离、廉价、低速率电缆取代模拟信号传输线●总线型总线数据传输距离长、速率高，采用点对点、点对多点和广播式通信方式2．2、现场总线技术特征现场总线完整地实现了控制技术、计算机技术与通信技术的集成，具有以下几项技术特征。
（1）现场设备已成为以微处理器为核心的数字化设备，彼此通过传输媒体（双绘线、同轴电缆或光纤）以总线拓扑相连；（2）网络数据通信采用基带传输（即数字数据数字传输），数据传输速率高（为Mbit/s或10Mbit/s级），实时性好，抗干扰能力强；（3）废气了集散控制系统（DCS）中的I/O控制站，将这一级功能分配给通信网络完成；（4）分散的功能模块，便于系统维护、管理与扩展，提高可靠性；（5）开放式互连结构，既可与同层网络相连，也可通过网络互连设备与控制级网络或管理信息级网络相连；（6）互操作性，在遵守同一通信协议的前提下，可将不同厂家的现场设备产品统一组态，构成所需要的网络。
现场总线简介
现场总线简介现场总线的产生【1】随着信息与科学技术的迅猛发展，信息交换方式日新月异，并朝着全球化与数字化的方向发展，自动控制系统作为信息与科学技术发展的融合产物，自19世纪以来的近两百年里也发生了巨大变革。
总的来说，一般可将其划分为5代：（1）气动信号控制系统（PCS ）气动信号控制系统是于19世纪中期出现的基于5-13psi的第一代控制系统（2）电动模拟仪表过程控制系统（ACS）电动模拟过程控制系统出现于20世纪50年代，一出现便很快占据控制领域的主导地位它利用0-10mA或4-20mA的电流模拟信号进行现场级设备信号的采集与控制，是第二代控制系统但由于模拟信号精度较低并易受干扰，所以很快便被新的控制系统取代（3）集中式数字控制系统（CCS）随着数字计算机技术的发展和应用，20世纪70年代左右集中式数字控制系统（CCS）出现并占据主导地位，称为第三代控制系统。
集中式数字控制系统能够根据现场情况进行及时控制和计算判断，并且在控制方式和时机的选择上能进行统一调度和统筹安排。
另外，由于采用单片机等作控制器，数字信号的传输在控制器内部进行，这样不仅克服了ACS系统中模拟信号精度低的缺点，而且也提高了系统的抗干扰能力。
但由于该系统对控制器本身有很高的要求，而当任务增加时，控制器的效率将明显下降，很难保证满足对控制器足够的处理能力和极高的可靠性的要求（4）分散式控制系统（DCS）20世纪80年代初，微处理机的出现和应用促使了第四代控制系统——分散式控制系统（DCS）的产生。
DCS系统采用集中管理、分散控制，即将管理与控制相分离：上位机执行集中监视管理，下位机在现场进行分散控制，它们之间用控制网络相连实现信息传递。
与之前几代控制系统不同，分散式的控制系统降低了系统中对控制器处理能力和可靠性的要求。
（5）现场总线控制系统（FCS）20世纪80年代中后期，随着微电子技术和大规模以及超大规模集成电路的快速发展，顺应以上需求，国际上发展起来一种以微处理器为核心，使用集成电路实现现场设备信息的采集传输处理以及控制等功能的智能信号传输技术——现场总线，并利用这一开放的、具有可互操作性的网络技术将各控制器和现场仪表设备实现互连，构成了现场总线控制系统。
现场总线
1、什么是现场总线？安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。
现场总线一般是指一种用于连接现场设备，如传感器（sensors）、执行器以及像PLC、调节器（regulators）、驱动控制器等现场控制器的网络。
现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向、串行、多节点、数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。
现场总线是一种串行的数字数据通信链路，它沟通了生产过程领域的基本控制设备（现场设备）之间以及更高层次自动控制领域的自动化控制设备（车间级设备）之间的联系。
现场总线是连接控制系统中现场装置的双向数字通信网络；现场总线是从控制室连结到现场设备的双向全数字通信总线。
现场总线是用于过程自动化和制造自动化（最底层）的现场设备或现场仪表互连的现场数字通信网络，是现场通信网络与控制系统的集成。
现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信网络。
由此网络构成的系统称为现场总线控制系统。
2、现场总线的结构特点是什么？现场总线系统中，各现场设备分别作为总线上的网络节点，设备之间采用网络式连接是现场总线系统在结构上最显著的特征之一。
（1）系统的开放性开放系统是指通信协议公开，不同制造商提供的设备之间可实现网络互连与信息交换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。
（2）互可操作性与互用性互可操作性，是指网络中互连设备间的信息传送与交换，可实行点对点，一点对多点的数字通信。
而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。
（3）通信的实时性与确定性现场总线系统的基本任务是实现测量控制。
现场总线系统中的媒体访问机制、通信模式、网络管理与调度方式等都将保证通信的实时性、有效性与确定性。
（4）现场设备的智能化与功能自治性智能主要体现在现场设备的数字计算与数字通信能力上。
计算机控制系统_总线概述
如图（b）所示，地址码的低位字节连接到总线译码器，形成选板信号（A5~A7，A2~A4，两组3：8译码器可选择64块板）和选口信号（A0、A1构成2：4译码器，可选择4个口地址），与读写信号（引线31、32）相结合，最多可寻址256个输入口和256个输出口（设每块板4个输入口和4个输出口），选通I/O端口工作。通过IOEXP (引线35)可扩展I/O接口板工作。
②引线逻辑电平在RS-232C标准中，规定用-3～-15V表示逻辑1；用+3～+15V表示逻辑0。
③旁路电容RS-232C终端一侧的旁路电容C小于2500pF。
④开路电压RS-232C的开路电压不能超过25V。
⑤短路抑制性能RS-232C的驱动电路必须能承受电缆中任何导线短路，而不至于损坏所连接的任何设备。
1.
RS-232-C总线的接口连接器采用DB-25插头和插座，其中阳性插头（DB-25-P）与DTE相连，阴性插座（DB-25-S）与DCE相连。
RS-232-C 25个引脚只定义了22个。通常使用的RS-232-C接口信号只有9根引脚.最基本的三根线是发送数据线2、数据线3和信号地线7，一般近距离的CRT终端、计算机之间的通信使用这三条线就足够了。其余信号线通常在应用MODEM（调制解调器）或通信控制器进行远距离通信时才使用。
现场总线技术及其应用
应用层
2
表达层
3
会话层
4
传输层
5
网络层
6 数据链路层
7
物理层
图3.2 ISO/OSI模型
7
应用层
6
5
4
3
总线访问子层
2
数据链路层
1
物理层
图3.3 典型的现场总线协议模型
11
➢ 典型的现场总线协议模型（见图3-3）采用 OSI模型中的三个典型层：物理层、数据链路层 和应用层，在省去3～6层后，考虑到现场总线的 通讯特点，设置一个现场总线访问子层。它具有 结构简单、执行协议直观、价格低廉等优点，也 满足工业现场应用的性能要求。与OSI参考模型 的相应层次相比，现场总线标准的物理层、数据 链路层与其有相同的含义。从总线访问子层看， 现场总线有很大特色。
➢ LonWorks技术自1991年推出后，发展很快，到 1996年已有2600家生产商，使用并且安装了200多 万个节点，远远超过了任何其他测控现场总线， 其应用范围包括工业控制，楼宇自动化，航空/航 天等，几乎囊括了测控应用的所有范畴，在其销 售额中，40%是工业控制，30%是楼宇自动化 。
18
1. 现场总线是开放互连网络 2. 现场总线是现场通信网络 3. 现场总线是数字通信网络 4. 现场总线是现场设备互连网络 5. 现场设备的互操作性与互用性 6. 现场总线是结构和功能高度分散的系统 7. 对现场环境的适应性
4
3.1.3 现场总线技术的优点
➢ 现场总线具有的数字化、开放性、分散性、 互操作性和互换性及对现场设备环境的适应 性等特点决定和派生了其一系列优点：
2. 树形方式
几个现场仪表，一般按地理区域进行集中，接 到一根“局部运行” 的现场总线上，然后再引到 控制室中去。
现场总线(重点)
一章1、现场总线：应用在生产现场，在测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的技术。
2、现场总线技术特点：系统的开放性、互可操作性、通信的实时性和确定性、现场设备的智能与功能自治性、对现场环境的适应性。
3、现场总线的优越性：节省硬件数量与投资、节省安装费用、节省维护开销、用户具有系统集成主动权、提高系统的准确性与可靠性。
4、企业网络系统按功能结构划分为：企业资源规划层ERP、制造执行层MES、现场控制层FCS。
二章1、总线协议：总线上的设备如何使用总线的一套规划。
2、总线主设备：有能力在总线上发起通信的设备。
3、总线仲裁：对总线冲突的处理过程，根据某种裁决规则来确定下一个时刻具有总线占有权的设备。
有集中仲裁和分布式仲裁两种。
4、数据通信系统中，无线传输媒体：电磁波、红外线。
有线媒体：双绞线、电缆、电力线、光缆。
5、工业数据通信中常用数据传输速率9600b/s、31.25kb/s、500kb/s、1mb/s、2.5mb/s、10mb/s、100mb/s。
6、误码率pe：数字通信中二进制码元出现传输出错的概率。
用处：7、增加带宽w并不能无限制地是信道容量增大。
8、模拟数据编码：采用模拟信号的不同幅度、不同频率、不同相位来表达数据的0、1状态。
数字数据编码：用低电平的矩形脉冲信号来表达数据的0、1状态。
9、模拟数据编码的三种编码方法：幅值键控ASK、频移键控FSK、相移键控PSK。
10、曼彻斯特编码定义：数据通信中最常用的一种基带信号编码。
好处：在一个位时间内，其中间点总有一次信号电平的变化，这一信号电平的变化可用来作为节点间的同步信息，无需另外传送同步信息。
11、串行传输：数据流以串行方式逐位地在一条信道上传输。
并行传输：将数据以成组的方式在两条以上的并行通道上传输。
12、同步传输和异步传输是指通信处理中使用时钟信号的不同方式。
13、同步原因：接收方为了能正确恢复位串序列，必须能正确区分出信号中的每一位，区分出每个字符的起始与结束位置，区分出报文帧的起始与结束位置。
现场总线技术
发展趋势
现场总线技术的发展应体现为两个方面：一个是低速现场总线领域的继续发展和完善；另一个是高速现场总 线技术的发展。
现场总线产品主要是低速总线产品，应用于运行速率较低的领域，对络的性能要求不是很高。从应用状况看， 无论是FF和Profibus，还是其他一些现场总线，都能较好地实现速率要求较慢的过程控制。因此，在速率要求较 低的控制领域，谁都很难统一整个世界市场。而现场总线的关键技术之一是互操作性，实现现场总线技术的统一 是所有用户的愿望。今后现场总线技术如何发展、如何统一，是所有生产厂商和用户十分关心的问题。
基金会现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率。H1的传输速率为 31.25Kbps，通信距离可达 1900m （可 加中继器延长），可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。H2的传输速率为 1Mbps和 2 5Mbps两种，其通信距 离为750m和500m。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合IEC 1158-2标准。其物理媒介的传 输信号采用曼彻斯特编码，每位发送数据的中心位置或是正跳变，或是负跳变。正跳变代表0，负跳变代表1，从 而使串行数据位流中具有足够的定位信息，以保持发送双方的时间同步。
优点
节省硬件数量与投资
发展趋势由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因 而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离技 术等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，由于控制设备的减少， 还可减少控制室的占地面积。
一般把现场总线系统称为第五代控制系统，也称作FCS——现场总线控制系统。人们一般把50年代前的气动 信号控制系统PCS称作第一代，把4～20mA等电动模拟信号控制系统称为第二代，把数字计算机集中式控制系统称 为第三代，而把70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS称作第四代。现场总线控制系统FCS作为新一代控制系 统，一方面，突破了DCS系统采用通信专用络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统 所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻 底下放到现场。可以说，开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。
现场总线概述.
现场总线概述现场总线控制系统技术是20 世纪80 年代中期在国际上发展起来的一种崭新的工业控制技术。
现场总线控制系统（FCS）的出现引起了传统的PLC和DCS控制系统基本结构的革命性变化。
现场总线系统技术极大地简化了传统控制系统繁琐且技术含量较低的布线工作量，使其系统检测和控制单元的分布更趋合理。
更重要的是从原来的面向设备选择控制和通信设备转变成为基于网络选择设备。
尤其是20世纪90 年代现场总线控制系统技术逐渐进入中国以来，结合Internet 和Intranet 的迅猛发展，现场总线控制系统技术越来越显示出其传统控制系统无可替代的优越性。
现场总线控制系统技术已成为工业控制领域中的一个热点。
1 现场总线的发展计算机控制系统的早期，采用一台小型机控制几十条控制回路，目的是降低每条回路的成本。
但由于计算机的故障将导致所有控制回路失效，所以后来发展成分布式控制（DCS），即由多台微机进行数据采集和控制，微机间用局域网（LAN）连接起来成为一个统一系统。
DCS沿用了二十多年，其优点和缺点均充分显露。
最主要的问题仍然是可靠性：一台微机坏了，该微机管辖下的所有功能都失效；一块AD板上的模/数转换器坏了，该板上的所有通道（8或16个）全部失效。
曾有过采用双机双I/O等冗余设计，但这又增加了成本，增加了系统的复杂性。
为了克服系统可靠性、成本和复杂性之间的矛盾，更为了适应广大用户要求的系统开放性、互操作性要求，实现控制系统的网络化，一种新型控制技术──现场总线控制系统（FCS）正迅速发展起来。
1.1 什么是现场总线从名词定义来讲，现场总线是用于现场电器、现场仪表及现场设备与控制室主机系统之间的一种开放的、全数字化、双向、多站的通信系统。
而现场总线标准规定某个控制系统中一定数量的现场设备之间如何交换数据。
数据的传输介质可以是电线电缆、光缆、电话线、无线电等等。
通俗地讲，现场总线是用在现场的总线技术。
传统控制系统的接线方式是一种并联接线方式，从PLC控制各个电器元件，对应每一个元件有一个I/O口，两者之间需用两根线进行连接，作为控制和/或电源。
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(b)MAC子层功能之发送功能 (b)MAC子层功能之发送功能 AC
送数据封装： 接收LLC帧和接口控制信息 ， 构造 帧和接口控制信息， 送数据封装 ： 接收 帧和接口控制信息 MAC帧。 帧 送媒体访问管理：检查总线状态，串行化MAC帧， 送媒体访问管理：检查总线状态，串行化 帧 插入填充位，开始发送，丢失仲裁时转入接收方式， 插入填充位 ，开始发送，丢失仲裁时转入接收方式， 应答校验，错误超载检测，发送超载帧或数据帧等。 应答校验， 错误超载检测，发送超载帧或数据帧等。
4.2 CAN总线 总线
CAN(Control Area Network)总线是德国 总线是德国Bosch公 总线是德国 公 司从80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试 司从 年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试 仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协 议，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行 通信网络。 通信网络。 特点：通信速率高，可靠性好，价格低廉等， 特点：通信速率高，可靠性好，价格低廉等， 适用： 适用：中小规模的工业过程监控设备的互连和交通 运载工具电气系统中。 运载工具电气系统中。
CAN总线概述 一 CAN总线概述 CAN总线体系结构 CAN总线体系结构
一种多主 总线， 总线，采用 OSI底层的三 底层的三 层网络结构， 层网络结构， 包括：物理层、 包括：物理层、 数据链路层和 应用层。 应用层。
(1)物理层功能 物 物理层的主要内容是规定了通信介质的机械、电器、 物理层的主要内容是规定了通信介质的机械、电器、 功能和规程特性。 功能和规程特性。包括以下三个功能 （a）物理信令实现与位表示、定时和同步相关的 ）物理信令实现与位表示、 功能。 功能。 （b）物理媒体附属装置实现总线发送 接收的功能 ）物理媒体附属装置实现总线发送/接收的功能 电路，并可提供总线故障检测方法。 电路，并可提供总线故障检测方法。 （c）媒体相关接口实现与物理媒体之间的机械和 ） 电气接口。 电气接口。
CAN总线时一种有效支持分布式控制或实时 总线时一种有效支持分布式控制或实时 控制的串行通信网络。 控制的串行通信网络。CAN可实现全分布式多机 可实现全分布式多机 系统，且无主、从机之分； 可以用点对点、 系统，且无主、从机之分；CAN可以用点对点、 可以用点对点 一点对多点以及全局广播几种方式传送和接收数 据；CAN直接通信距离最远可达 直接通信距离最远可达19km（传输率 直接通信距离最远可达 （ ），通信速率最高可达 为55kb/s），通信速率最高可达 ），通信速率最高可达1Mb/S（传输距 （ 离为40km）； ）；CAN总线上节点数可达 总线上节点数可达110个。 离为 ）； 总线上节点数可达 个
分散功能块:FCS把DSC控制站的功能分配给现场 (4)分散功能块:FCS把DSC控制站的功能分配给现场 仪表，从而构成虚拟控制站。 仪表，从而构成虚拟控制站。因此可灵活选用各种 功能，构成所需控制系统，实现完全的分散控制。 功能，构成所需控制系统，实现完全的分散控制。 通信线供电: (5)通信线供电:通信线供电允许现场仪表直接从通 信线上摄取能量，适合于本安型低功能现场仪表。 信线上摄取能量，适合于本安型低功能现场仪表。 开放式互联网络:现场总线为开放式互联网络， (6)开放式互联网络:现场总线为开放式互联网络， 它既可以于同层网络互联，也可与不同层网络， 它既可以于同层网络互联，也可与不同层网络，还 可以实现网络数据库的共享。 可以实现网络数据库的共享。
CAN主要特性 CAN主要特性
多主站依据优先权进行总线访问； ⑴多主站依据优先权进行总线访问； 无破坏性的基于优先权的仲裁； ⑵无破坏性的基于优先权的仲裁； 借助接收滤波的多地址帧传送； ⑶借助接收滤波的多地址帧传送； 远程数据请求； ⑷远程数据请求； 配置灵活性； ⑸配置灵活性；
全系统数据相容性； ⑹全系统数据相容性； 错误检测和出错信令； ⑺错误检测和出错信令； ⑻发送期间若丢失仲裁或由于出错而遭破坏的帧 可自动重发送； 可自动重发送； ⑼暂时错误和永久性故障节点的判别以及故障节 点的自动脱离。 点的自动脱离。
Ethernet
Internet
制造执行层MES
Ethernet
温度变送 器
ห้องสมุดไป่ตู้
Ethernet
现场控制层FCS
调 节 阀
温度变送 器
控制网络
温度变送 器 调节 阀
企业网络的功能层次
几种流行的现场总线
德国Bosch公司的 公司的CAN网络（Controller Area 网络（ 德国 公司的 网络 Network）, ） 美国Echelon公司 公司LonWorks网络（Local Operation 网络（ 美国 公司 网络 Network）， ）， 德国标准的Profibus(Profess FieldBus)总线 总线， 德国标准的Profibus(Profess FieldBus)总线， Rosemount公司的 公司的Hart（Highway Addressable 公司的 （ Remote Transducer）总线， ）总线， 罗克韦尔自动化公司的DeviceNet 和ControlNet等。 罗克韦尔自动化公司的 等
(1)现场通信网络 用于过程以及制造自动化的现场 现场通信网络:用于过程以及制造自动化的现场 现场通信网络 设备或现场仪表互联的通信网络。 设备或现场仪表互联的通信网络。 (2)现场设备互联 现场设备通过一对传感线互联， 现场设备互联:现场设备通过一对传感线互联， 现场设备互联 现场设备通过一对传感线互联 传输线可以使用双绞线、同轴电缆、 传输线可以使用双绞线、同轴电缆、光纤和电源线 等。 (3)互操作性 现场设备或现场仪表种类繁多 ， 可对 互操作性:现场设备或现场仪表种类繁多 互操作性 现场设备或现场仪表种类繁多， 不同品牌的现场设备统一组态。 不同品牌的现场设备统一组态。
(2)数据链路层功能 数据链路层功能 数据链路层的主要功能是将要发送的数据进行 包装，即加上差错校验位、数据链路协议的控制信 包装，即加上差错校验位、 头尾标记等附加信息组成数据帧， 息、头尾标记等附加信息组成数据帧，从物理信道 上发送出去；在接受到数据帧后，再把附加信息去 上发送出去；在接受到数据帧后， 得到通信数据。包括逻辑链路控制 逻辑链路控制(LLC) 和媒 掉，得到通信数据。包括逻辑链路控制 体访问控制（MAC）。 体访问控制（ ）
LAS
AI AO PID
全分布、网络集成式控制系统
NT 服务器
企业管理层 （数据网络） 局域网 Internet
过程监控层 （数据网络） 监控工作站 现场总线接口 现场控制层 （控制网络）
调节阀 差压变送器 差压变送器 差压变送器 温度变送器
其它工作站
现场总线网段
现场总线系统是企业的底层网络
资源规划层ERP
4 现场总线
微处理器嵌入各种仪表仪器和检测系统， 微处理器嵌入各种仪表仪器和检测系统，导致智能 化的趋势。 化的趋势。对工业过程控制系统的进一步要求
现场总线控制系统 （Fieldbus Control System，缩写为 ，缩写为FCS） ）
4.1 现场总线概述 现场总线的定义
国际组织现场总线基金会(Fieldbus Foundation) 国际组织现场总线基金会 定义: 定义 现场总线是一种全数字的双向多站点通信系 统，适用于仪器仪表和其它工厂自动化设备。它将 适用于仪器仪表和其它工厂自动化设备。 代替老式的电缆系统。 代替老式的电缆系统。
CAN在物理总线上的数字化信息 在物理总线上的数字化信息
显性电平(dominant level)： 以大于最小阈值的差分 显性电平 ： 电压表示，表示逻辑“ ； 电压表示，表示逻辑“0”； 隐性电平(recessive level)：两根物理总线均基本固 隐性电平 ： 定于平均电压，表示逻辑“ 。 定于平均电压，表示逻辑“1”。 如果总线上存在“显性”位和“隐性”位的同时发 如果总线上存在“显性”位和“隐性” 总线数值将表现为“显性” 即表示为“ 。 送，总线数值将表现为“显性”，即表示为“0”。 这一点在判别信息的优先权而进行网络仲裁时起关 键作用。 键作用。
（3）现场总线可采用多种介质（多种有线和无线方式） 现场总线可采用多种介质（多种有线和无线方式） 可采用多种介质 传送数字信号。 传送数字信号。在两根导线上可挂接多至几十个自控设 能节省大量线缆、槽架、连接件。 备，能节省大量线缆、槽架、连接件。 （4）现场总线形成真正分散在现场的完整控制系统， 场总线形成真正分散在现场的完整控制系统， 形成真正分散在现场的完整控制系统 提高了控制系统运行的可靠性。 提高了控制系统运行的可靠性。丰富了控制设备的信息 内容。如阀门动作次数、故障诊断等信息。 内容。如阀门动作次数、故障诊断等信息。 （5）为控制信息进入公用数据网络创造了条件，沟通 为控制信息进入公用数据网络创造了条件， 了现场设备之间及其与更高理层网络之间的联系。 了现场设备之间及其与更高理层网络之间的联系。 （6）控制网络与数据网络的结合，便于实现信号的远 控制网络与数据网络的结合，便于实现信号的远 程传送与异地远程自动控制。 程传送与异地远程自动控制
帧格式
CAN的2.0A标准规定 种帧格式 的 标准规定4种帧格式 标准规定 种帧格式: 数据帧由发送器传送数据至接收器； 数据帧由发送器传送数据至接收器； 远程帧通过某总线节点发送， 远程帧通过某总线节点发送，以请求其它节 点发送具有相同标识符的数据帧； 点发送具有相同标识符的数据帧； 出错帧由通过检测发现总线错误的任何节点 发送，向全网络通报出错信息； 发送，向全网络通报出错信息； 超载帧用于在多帧数据之间提供附加延迟。 超载帧用于在多帧数据之间提供附加延迟。
(a)LLC子层提供的功能 (a)LLC子层提供的功能
帧接收滤波：数据帧内容由标识符命名。 帧接收滤波：数据帧内容由标识符命名。标识符并 不能指明帧的目的地，但描述数据的含义， 不能指明帧的目的地，但描述数据的含义，每个接 收器通过帧接收滤波确定此帧与其是否有关。 收器通过帧接收滤波确定此帧与其是否有关。 超载通告： 超载通告 ： 如果接收器内部条件要求延迟下一个 LLC数据帧或 数据帧或LLC远程帧， 则通过 远程帧， 数据帧或 远程帧 则通过LLC子层开始发 子层开始发 送超载帧， 最多可产生两个超载帧，以延迟下一个 送超载帧， 最多可产生两个超载帧 ， 数据帧或远程帧。 数据帧或远程帧。 恢复管理： 发送期间， 恢复管理 ： 发送期间 ， 对于丢失仲裁或被错误干扰 的帧， 子层具有自动重发送功能， 的帧 ， LLC子层具有自动重发送功能 ， 在发送成功 子层具有自动重发送功能 完成前，帧发送服务不被用户认可。 完成前，帧发送服务不被用户认可。